WO1998022803A1 - Micromechanical transmission measuring cell - Google Patents

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WO1998022803A1
WO1998022803A1 PCT/EP1997/006278 EP9706278W WO9822803A1 WO 1998022803 A1 WO1998022803 A1 WO 1998022803A1 EP 9706278 W EP9706278 W EP 9706278W WO 9822803 A1 WO9822803 A1 WO 9822803A1
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container
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cell according
transmission measuring
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Peter Woias
Bernd Hillerich
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/59—Transmissivity

Definitions

  • the present invention relates to optical transmission measuring cells and reactors with an integrated optical detection mechanism and in particular to a micromechanical transmission measuring cell for determining an optical absorption of a sample fluid.
  • Microtiter plates usually consist of an optically transparent plastic body which has a number of depressions as reaction vessels. The inner wall of the reaction vessels is covered with a suitable biochemical receptor layer which, after the sample solution has been filled in, allows the analyte molecule to be determined to bind selectively to at least one reactor wall.
  • a color change is generated in the reaction vessel as an indicator reaction, which represents a measure of the amount of bound analyte molecules. The color change is usually determined quantitatively by means of an optical transmission measurement through the interior volume of the reactor and the plastic body.
  • microreactors consist of a volume flowed through, such as a capillary or a flow channel filled with a carrier material, on the inner surface (the inner wall or surface of the carrier material) of which a receptor layer is immobilized.
  • a volume flowed through such as a capillary or a flow channel filled with a carrier material
  • a receptor layer is immobilized.
  • a system is described in E. Yacoub-George, H. Wolf, S. Koch, P. Woias, A Miniaturized ISFET-ELISA System with a Pretreated Fused Silica Capillary as Reaction Cartridge, Proc. of the Transducers '95 - Eurosensor ⁇ IX, Sweden, 1995, pp. 898-901.
  • the chemical reaction mechanism used here is similar to the procedure described above and, as the last step, generates an indicator reaction in the volume of liquid that is present in the reactor.
  • the internal reactor volume is then fed to a downstream evaluation component, such as a photometer or an electrochemical sensor,
  • optical transmission cells are currently used in a wide variety of designs in chemical analysis and synthesis.
  • Simple embodiments consist of measuring cuvettes which are filled with the liquid to be analyzed and placed in the beam path of an arrangement of light source and optical detector.
  • flow-through cells contain a flow channel which is brought into the beam path of the optical arrangement, which consists of light source and optical detector, in the flow direction or also transverse to the flow direction.
  • a micromechanical flow-through cell which consists of a channel realized by anisotropic etching processes, which is covered on its surface with a silicon chip provided with windows.
  • anisotropic etching processes By using silicon wafers with a ⁇ 100> crystal orientation, the anisotropically etched channel side walls have the orientation of the etch-resistant ⁇ 111> crystal plane.
  • this plane has an angle of approximately 54 ° to a horizontal reference plane.
  • the light is coupled through almost vertical radiation with an optical fiber through an optical entrance window, which is adjusted to an inclined face of the etched channel.
  • vertical refers to a direction perpendicular to the flow direction of the sample fluid.
  • a disadvantage of the commercially available microtiter plates is that they have typical internal reactor volumes in the range of a few ml and diffusion path lengths in the range of a few mm. This leads to the fact that the course of the chemical processes inside the reactor, i.e. the binding of the analyte molecules to the receptor layer, the generation of the indicator size, etc., is mainly determined by the comparatively long diffusion paths and the associated long diffusion times. The duration of an analysis can therefore be in the range of a few hours.
  • microtiter plate tests are processed by automated analysis devices, which must have a comparatively high degree of mechanization (e.g. pipetting robots, plate transport mechanisms), which increases the costs and the susceptibility to errors.
  • automated analysis devices which must have a comparatively high degree of mechanization (e.g. pipetting robots, plate transport mechanisms), which increases the costs and the susceptibility to errors.
  • reactors without an integrated evaluation component generally requires additional transport steps at the end of the indicator reaction, which can lead to increased expenditure and, depending on the configuration, to signal losses, such as, for example, due to mixing processes during transport in a flow system.
  • Optical transmission cells based on the cuvette principle have a comparatively large liquid volume in the range of a few ml and are not suitable for flow-through operation. Accordingly, the automatic processing of sample series can only be carried out with great mechanical effort using a robot system or handling machines.
  • Optical flow cells are often used in conventional technology, e.g. made by plastic injection molding, whereby miniaturization is only possible to a certain extent.
  • the micromechanical flow cell in silicon technology which is mentioned above, furthermore, as described above, has a consciously chosen vertical light coupling, so that a beam path with multiple reflections on the channel walls is created.
  • a high number of multiple reflections is intended to significantly increase the effective optical path length of the cell compared to the channel diameter by a factor of 10 to 50, which is said to improve detection sensitivity.
  • the etched silicon channel walls only allow lossy reflections, a high light output must be coupled into this known transmission measuring cell in order to couple out a measurable light output at the output.
  • US 4,908,112 discloses a silicon semiconductor wafer for analyzing micronic biological samples.
  • the analytical device includes a separation channel in an elongated shape, electrodes formed in the channel, and a reservoir and a receptacle.
  • the one or more separation channels are formed in a silicon wafer, and they have beveled walls, as are typically produced when etching with potassium hydroxide solution.
  • a silicon dioxide layer is formed on the channel.
  • the electrodes are used to detect movement of the sample liquid. activated through the canal by means of electro osmosis.
  • a laser beam is directed onto a slanted side wall of the channel, from where it is reflected across the channel across to the opposite wall, whereupon the same is again reflected out of the channel. Fluorescence is generated in a suitable analytical sample by the incident laser light, the fluorescent light emerging from the channel being detected by means of a photodetector. The fluorescent light is used to determine the sample components separated by electromigration.
  • EP 0 488 947 AI discloses a miniaturized detector cell which is made of silicon or quartz. It includes a channel in which a sample fluid is located, and an inlet and an outlet window for light in order to carry out a transmission measurement. The light is radiated perpendicularly onto an inclined wall of the channel in order to carry out multiple reflections in the channel or the elongated container, after which it is directed from the outlet opening to a corresponding detector. These multiple reflections lead to a significant extension of the interaction path.
  • DE 41 37 060 AI discloses a micro cuvette for infrared spectroscopy. It has a channel and inlet and outlet openings for a sample fluid arranged perpendicularly thereto. Light is radiated directly through silicon wafers that form the cuvette.
  • GB 2 071 355 A discloses a liquid cell for spectroscopic analysis, which has a front plate as an optical window, a rear plate which has a reflective surface and a sealing device between the two plates. In the back plate there is an inlet or an outlet for liquids that are to be analyzed in the cell.
  • Document 6 (CH 674 082 A5) discloses a cuvette which has as its core a prism of selected shape made of a translucent material, the refractive index of which is higher than the refractive index of the solution to be examined. A cavity is arranged above the prism, which is filled with a liquid to be determined, while an empty cavity sits under the prism. In the case of the cuvette, the light essentially spreads out in the prism and is influenced by a fluid arranged next to the prism.
  • the object of the present invention is to provide a micromechanical transmission measuring cell which enables low sample fluid or reagent consumption and achieves high detection accuracy.
  • the invention is based on the finding that, for high detection accuracy, multiple reflections of light coupled into a sample fluid container on the inner wall of the container must be avoided in order to minimize the reflection losses in the sample fluid container. Therefore, in the micromechanical transmission cell according to the present invention, a quasi-parallel light beam, which is referred to below as "light beam", with a diameter that is smaller than the inner cross section of the fluid container, is used for transmission measurement.
  • the "light beam” is coupled onto a first reflector device in such a way that it passes through the sample fluid container, which can be micromechanically produced in a silicon substrate, largely without multiple reflections on the container wall.
  • This reflector device can be coated with gold, for example, whereby its reflection properties become optimal. It is not necessary to coat the rest of the inner wall with gold, since only a small proportion of the material stored in the container most light experiences multiple reflections on the container wall.
  • the light used for the measurement cannot exist as a "light beam”, but the same can be divergent.
  • a collimating lens system can optionally be inserted at a suitable point in the light beam path. This method is generally known from optics. If the divergent light emerging from an optical waveguide is used, a gradient lens of suitable length is expediently applied directly to the end face of the optical waveguide.
  • the micromechanical transmission cell for determining the optical absorption of a sample fluid comprises a container for holding the sample fluid, a light transmission opening for introducing the light into the container and the reflector device which directs the light with respect to the container in such a way that a large part of the light is directed to the container without multiple reflections passes through a container wall.
  • the micromechanical transmission cell according to the present invention offers the advantage of the small internal reactor volume that is possible through the micromechanical silicon processing technology. This results in short diffusion paths and diffusion times, low reagent and analyte or sample fluid consumption.
  • the micromechanical transmission cell can have a sample fluid inlet opening, through which a sample fluid is introduced into the container, after which it is operated in the so-called "stopped-flow" mode, ie the sample fluid does not flow through the micromechanical transmission measuring cell, but rather it stands in it.
  • the raikromechanical transmission cell according to the present invention can also be used in flow-through mode. It is therefore extremely flexible in use. In the presence of an inlet and an outlet opening "Stopped-Flow" operation is also possible. In this case, the reagent is pumped in, the pump is stopped and the reaction is awaited.
  • reaction processes in the interior of the reactor can be determined in situ, for example, by measuring the reaction kinetics.
  • the main advantages of the micromechanical transmission cell over the known micromechanical flow-through cell with an integrated evaluation component are the minimal number of reflections in the sample fluid container through the choice of the beam path parallel or perpendicular to the direction of flow and parallel to the container wall, thereby reducing reflection losses through the container transmitted light can be minimized. Furthermore, the micromechanical transmission cell according to the present invention allows any combination of light coupling and light coupling or fluid supply and discharge on the top and bottom of the container.
  • the micromechanical transmission cell according to the present invention can by immobilizing a biochemical component on the inner wall of the container, which, through interaction with an associated reaction partner to be detected, such as an enzyme substrate or an antigen, triggers or influences a chemical reaction in the interior of the reactor and thus an optically detectable one
  • the reaction result generated which can be correlated with the analyte concentration, can also be used as a biochemical reactor without the transmission being influenced by the reflection properties of the biochemical component on the inner wall of the container.
  • the micromechanical transmission cell can be used as a universally usable transmission cell be used.
  • 1 shows a basic structure of the transmission cell with inclined walls on the end faces of a container and with a light coupling from an optical waveguide;
  • FIG. 3 shows a plan view of the micromechanical transmission cell from FIG. 1, in which the cover has been removed;
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the micromechanical transmission cell of FIG. 3, in which an inlet and an outlet opening are shown directly below or above the container;
  • FIG. 5 shows a top view of a transmission cell with side inlet modified with respect to FIG. 4;
  • Fig. 6 is a cross sectional view taken along line A-A of Fig. 5;
  • FIG. 7 shows a micromechanical transmission cell according to a first exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 8 shows a micromechanical transmission cell according to a second exemplary embodiment of the present invention with integrated coupling and decoupling optics for optical waveguides; 9 shows a micromechanical transmission cell according to a third exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 shows a micromechanical transmission cell according to a fourth exemplary embodiment of the present invention.
  • the micromechanical transmission cell of the present invention can be used for an integrated optical transmission measurement and can be completely manufactured and miniaturized by the methods of silicon micromechanics.
  • the micromechanical transmission cell can be used for the following purposes:
  • a biochemical component is immobilized on the inside wall of the reactor, e.g. an enzyme or a receptor, which by interaction with an associated reaction partner to be detected, such as e.g. an enzyme substrate or antigen that triggers or influences a chemical reaction inside the reactor and thus produces an optically detectable reaction result that can be correlated with the analyte concentration.
  • an enzyme or a receptor which by interaction with an associated reaction partner to be detected, such as e.g. an enzyme substrate or antigen that triggers or influences a chemical reaction inside the reactor and thus produces an optically detectable reaction result that can be correlated with the analyte concentration.
  • the micromechanical transmission cell according to the present invention can be used as a universally usable transmission cell without immobilizing a biochemical component. Due to the small realizable internal volume, measurements with temporal and local resolution can be carried out much better than with macroscopic cells. For example, the course of a chemical reaction inside the cell through which the reaction medium flows can be monitored directly on the basis of an optically detectable reaction result. In this way, the reaction kinetics can be followed directly and possibly controlled by a suitable choice of the reaction parameters, such as the flow rate, the mixing ratio of the reagents in front of the cell, during the measurement, ie on-line. the .
  • FIG. 1 and 2 show the basic fluidic concept of the micromechanical transmission cell according to the present invention.
  • Fig. 1 shows a longitudinal section through the cell 12, whereas Fig. 2 provides a cross section of the same.
  • a container 12 is formed in a substrate 10, which preferably consists of silicon.
  • a sample fluid can be introduced into the container 12 by means of an inlet opening 14 and can exit the container 12 through an outlet opening 16.
  • both the inlet openings 14 and the outlet opening 16 and the container 12 have inclined walls 18, 26 which are formed by means of known anisotropic etching processes for silicon, such as e.g. Etching with potash lye.
  • the inlet and outlet openings 14, 16 do not require inclined walls.
  • the anisotropic etching with potassium hydroxide solution results in relatively smooth inclined walls 18, 26, which are also suitable for reflecting light without any significant scatter.
  • the container 12 serves as a sample fluid channel. On the side opposite the substrate 10, the container 12 is closed off by a lid 20. From the further description it is evident that the cross-sectional or longitudinal sectional shape of the container 12 is irrelevant as long as light is directed into the container 12 in such a way that as few multiple reflections of the light as possible occur on the walls.
  • FIG. 1 shows, by way of example, the transformation of a divergent beam emerging from an optical waveguide 7 into a quasi-parallel beam 24 (“light beam”) using a gradient lens 6.
  • the container 12 of the optical transmission cell according to the present invention preferably has an elongated shape.
  • FIG. 3 shows a top view of the micromechanical transmission cell according to the present invention, in which the cover 20 is omitted.
  • an inlet opening 14 for introducing a sample fluid into the container 12 is formed by the silicon substrate 10.
  • the outlet opening 16 is not also formed in the silicon substrate 10, as is shown in FIG. 1, but in the cover 20.
  • the lid 20, which closes the container on the upper side of the substrate, should be made of a suitable material which, depending on the type of light coupling described below, must have an optical transparency at least in places.
  • a suitable material for the cover 20 could be glass, for example.
  • the entire inner wall of the container, but preferably only the inclined walls 18 used as mirror surfaces or reflector devices, can be coated in order to achieve an optimal optical reflection behavior.
  • a suitable coating material for silicon is, for example, gold.
  • the inflow and outflow of the container 12 can be combined in any way.
  • the inflow and outflow can be realized either on the back of the substrate 10 or in the cover 20.
  • 7 shows a functional representation of the micromechanical transmission cell according to a first exemplary embodiment of the present invention.
  • the "light beam" 24 which is schematically represented by a beam path, is radiated onto a reflector device 26 at a defined angle.
  • the reflector device 26 is implemented as an inclined wall of the container 12, which can be coated with a highly reflective layer, for example with gold, in order to achieve optimal reflection behavior.
  • the "light beam” 24 (hereinafter also referred to as the "light” 24) is transferred from a first medium with a refractive index n lf, which can be air, for example, into the optically transparent cover 20 with a refractive index n 2 and from there into the sample fluid irradiated with the refractive index n 3 , from the reflector device 26 to a further reflector device substantially parallel to the one container wall, which is realized by the substrate 10, and the other container wall, which is realized by the underside of the lid 20, to another To be directed reflector device 28, which in turn can be realized by an inclined wall of the container 12, which is optionally coated with gold.
  • a first medium with a refractive index n lf which can be air, for example, into the optically transparent cover 20 with a refractive index n 2 and from there into the sample fluid irradiated with the refractive index n 3
  • a further reflector device substantially parallel to the one container wall, which is realized by the substrate 10, and the
  • the light from the sample fluid with the refractive index n 3 is again directed into the optically transparent cover with the refractive index n and from there into the outer medium with the refractive index n lt can be the air, as shown in FIG 7 is shown.
  • the optically transparent cover 20 in FIG. 7 thus acts as a light passage opening 30 for coupling the light 24 into the container 12 and at the same time as a further light passage opening 32 in order to let the light 24 exit the container 12 again.
  • the Lid 20 does not necessarily have to be completely made of transparent material, but that it can also be formed, for example, from substrate material 10, such as silicon, but it then also has a transparent window as the light transmission opening 30 and also a corresponding one for the further light transmission opening 32 designed transparent window must have.
  • the same will be directed approximately parallel to the boundary walls of the container 12 by the coupling of the light 24 onto the reflector device 26 such that a large part of the light 24 passes through the container 12 without multiple reflections on a wall thereof.
  • it can make sense to provide the side walls of the container with a highly reflective layer, for example gold.
  • An essential point of the present invention is therefore that the light 24 runs essentially parallel to the surface of the substrate 10, which forms the lower wall of the container 12 with respect to FIG. 7.
  • the inclination of the reflector device 26 and the further reflector device 28 with respect to the longitudinal direction of the container 12 can be determined by the anisotropic potassium hydroxide etching, which results in an inclination angle of approximately 55 °.
  • inclined walls with different angles of inclination or reflectors specially formed in the sample fluid container can also be used in the transmission cell according to the present invention, as long as a large part of the light radiated into the sample fluid container passes through it without multiple reflections on the container wall.
  • any angle of incidence of the light 24 on the reflector device 26 can be achieved in such a way that the beam is guided essentially parallel to the substrate 10, whereby only a small part of multiple reflections on a wall of the container 12 occurs to optical losses in the container 12 to keep to a minimum.
  • any refractive index n 3 of the sample fluid can thus be compensated, as a result of which the optical transmission measuring cell according to the present invention has great flexibility in use in order to always achieve the best possible parallel guidance of the light.
  • the determination of the transmitted light intensity i.e. of the light that emerges from the cover 20 through the further light passage opening 32 is carried out with the aid of a detection method known to those skilled in the art.
  • the second exemplary embodiment additionally has a coupling / decoupling device 34 for optical waveguides, which has a coupling mirror 36, a coupling mirror 38, and two spherical lenses 6 and the two optical waveguides 7.
  • the coupling-in / coupling-out device preferably also consists of a silicon chip, the coupling-in mirror 36 and the coupling-out mirror 38 being implemented as inclined side surfaces, and the optical waveguides 7 and the lenses 6 being positioned in a self-adjusting manner in V-shaped etched recesses, as shown in FIG. 8 is.
  • the optical refractive index n ⁇ between the coupling and decoupling locations and the respective first reflection point can be matched to the refractive index of the medium in channel n 3 in order to achieve an exactly axially parallel coupling of light.
  • This adjustment can be done, for example, by optically transparent casting compounds or liquids in the n 1 designated space can be reached in Fig. 8.
  • the refractive index n 2 of the cover 20 only produces a parallel shift of the light beams, which can be taken into account when designing the optical transmission measuring cell according to the second exemplary embodiment of the present invention.
  • the embodiment shown in FIG. 8 also has the advantage that the susceptibility to errors due to an incorrect coupling angle in the optical transparent cover 20 is significantly reduced in the second exemplary embodiment, since the second shown in FIG. 8 Embodiment always makes possible a coupling aligned parallel to the substrate 10 or to the coupling / decoupling device 34, the refractive index n 3 , as mentioned, being taken into account structurally to a certain extent by the medium with the refractive index n- ⁇ .
  • FIG. 9 shows a third exemplary embodiment of the micromechanical transmission cell according to the present invention.
  • the coupling or uncoupling of the light 24 takes place on the back of the substrate 10, as a result of which it is no longer necessary for the cover 20 to be optically transparent.
  • a light shaft 40 is produced in the substrate 10.
  • the light 24 is decoupled by a further light shaft 42, which is also produced in the substrate 10, as shown in FIG. 9.
  • the light shaft 40 and the further light shaft 42 are designed as etched depressions which connect to the end faces of the container 12 or at opposite locations on the container walls and each have an optically transparent membrane towards the container.
  • the optically transparent membrane 30 thus serves as a light passage opening, while the optically transparent membrane 32 acts as a further light passage opening for decoupling the light 24 from the container 12.
  • the coupling and The light is decoupled by reflection at the reflection device 26 or at the further reflector device 28, which are realized as inclined walls in the light shaft 40 or in the further light shaft 42.
  • the angle of incidence of the light 24, the plane of incidence and the places of incidence are in turn chosen so that a beam path in the container 12 is parallel to the surface of the substrate 10 and either parallel (frontal radiation) or perpendicular (side radiation) to the flow direction of the sample fluid, for example by the 5 or FIG. 6, the side configuration shown in the container 12 is inserted or executed.
  • FIG. 10 shows a fourth exemplary embodiment of the optical transmission measuring cell according to the present invention, which is similar to the second exemplary embodiment shown in FIG. 8, but now the light 24 from the rear of the substrate 10 passes through the coupling mirror of the coupling / decoupling device 34 the light transmission opening 30 and through the further light transmission opening 32 to the further reflector device 28 and from there to the coupling mirror 38 in order to leave the transmission cell.
  • a material with a specific refractive index n ⁇ can be used to fill the light wells 40 and 42, as was described with reference to FIG. 8.
  • a light transmission opening could be provided in the substrate 10, for example by means of a micromechanical bore, in order to guide the light 24 out of the container 12 without a second reflection.
  • the further reflector device 28 could be designed as a vertically standing mirror instead of an inclined wall for directing the light 24 into the cover 20, as a result of which after coupling onto the reflector device 26 and the parallel course through the container, the light 24 is completely reflected in the same way and emerges from the container 20 again through a reflection on the reflector device in the same way as the coupling.
  • Those skilled in the art know how to separate an incoming and outgoing optical beam, for example by means of optical filter devices.

Abstract

A micromechanical transmission measuring cell used to determine optical absorption of a sample fluid or as a reactor to carry out an optically detectable chemical reaction. The micromechanical transmission measuring cell has a receptacle (12) to hold the sample fluid, a light through-opening (30) to introduce light into the receptacle (12) and a reflector device (26) which directs the light (24) in relation to the receptacle (12) in such a way that a large portion of the light (24) travels through the receptacle (12) without multiple reflections on one side of the receptacle (12) and the optical absorption of the sample fluid can be detected on account of the light travelling through the receptacle (12) without multiple reflections.

Description

Mikromechanische Transmissionsmeßzelle Micromechanical transmission measuring cell
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Transmissionsmeßzellen und Reaktoren mit integriertem optischem Detektionsmechanismus und insbesondere auf eine mikromechanische Transmissionsmeßzelle zur Bestimmung einer optischen Absorption eines Probenfluids.The present invention relates to optical transmission measuring cells and reactors with an integrated optical detection mechanism and in particular to a micromechanical transmission measuring cell for determining an optical absorption of a sample fluid.
Reaktoren sowohl mit als auch ohne integrierte Auswertekomponente werden gegenwärtig in verschiedenen Bereichen der chemischen Analytik und Synthese eingesetzt. Eine in der chemischen Analytik häufig verwendete Ausführungsform ist die Mikrotiterplatte, die bei immunologischen Testverfahren, wie z.B. dem Enzyme- inked ImmunoSorbent Assay (ELISA) , verwendet wird. Mikrotiterplatten bestehen üblicherweise aus einem optisch transparenten Kunststoffkörper, der eine Anzahl von Vertiefungen als Reaktionsgefäße aufweist. Die Innenwand der Reaktionsgefäße ist mit einer geeigneten biochemischen Rezeptorschicht belegt, die nach Einfüllen der Probenlösung eine selektive Bindung des zu bestimmenden Analyt- moleküls an mindestens eine Reaktorwand erlaubt. In weiteren Reaktionsschritten wird im Reaktionsgefäß ein Farbumschlag als Indikatorreaktion erzeugt, der eine Meßgröße für die Menge an gebundenen Analytmolekülen darstellt. Die quantitative Bestimmung der Farbveränderung erfolgt üblicherweise durch eine optische Transmissionsmessung durch das Reaktorinnenvolumen und den Kunststoffkörper hindurch.Reactors both with and without an integrated evaluation component are currently used in various areas of chemical analysis and synthesis. An embodiment frequently used in chemical analysis is the microtiter plate, which is used in immunological test methods, e.g. the Enzyme-Inked ImmunoSorbent Assay (ELISA). Microtiter plates usually consist of an optically transparent plastic body which has a number of depressions as reaction vessels. The inner wall of the reaction vessels is covered with a suitable biochemical receptor layer which, after the sample solution has been filled in, allows the analyte molecule to be determined to bind selectively to at least one reactor wall. In further reaction steps, a color change is generated in the reaction vessel as an indicator reaction, which represents a measure of the amount of bound analyte molecules. The color change is usually determined quantitatively by means of an optical transmission measurement through the interior volume of the reactor and the plastic body.
Weitere Ausführungsformen von Mikroreaktoren bestehen aus einem durchströmten Volumen, wie z.B. einer Kapillare oder einem mit einem Trägermaterial gefüllten Strömungskanal, an dessen innerer Fläche (der inneren Wandung bzw. Oberfläche des Trägermaterials) eine Rezeptorschicht immobilisiert ist. Ein derartiges System ist in E. Yacoub-George, H. Wolf, S. Koch, P. Woias, A Miniaturized ISFET-ELISA System with a Pretreated Fused Silica Capillary as Reaction Cartridge, Proc. of the Transducers '95 - Eurosensorε IX, Stockholm, Schweden, 1995, S. 898-901, beschrieben. Der dabei verwendete chemische Reaktionsmechanismus gleicht dem oben beschrieben Vorgehen und erzeugt als letzten Schritt im Flüssigkeitsvolumen, das im Reaktor vorhanden ist, wiederum eine Indikatorreaktion. Das Reaktorinnenvolumen wird anschließend einer nachgeschalteten Auswertekomponente, wie z.B. einem Photometer oder einem elektrochemischen Sensor, zugeführt, um die quantitative Bestimmung der Indikatorreaktion durchzuführen.Further embodiments of microreactors consist of a volume flowed through, such as a capillary or a flow channel filled with a carrier material, on the inner surface (the inner wall or surface of the carrier material) of which a receptor layer is immobilized. Such a system is described in E. Yacoub-George, H. Wolf, S. Koch, P. Woias, A Miniaturized ISFET-ELISA System with a Pretreated Fused Silica Capillary as Reaction Cartridge, Proc. of the Transducers '95 - Eurosensorε IX, Stockholm, Sweden, 1995, pp. 898-901. The chemical reaction mechanism used here is similar to the procedure described above and, as the last step, generates an indicator reaction in the volume of liquid that is present in the reactor. The internal reactor volume is then fed to a downstream evaluation component, such as a photometer or an electrochemical sensor, in order to carry out the quantitative determination of the indicator reaction.
Wie auch Reaktoren mit und ohne integrierte Auswertekomponente werden auch optische Transmissionszellen derzeit in verschiedensten Ausführungen in der chemischen Analytik und Synthese eingesetzt. Einfache Ausführungsformen bestehen aus Meßküvetten, die mit der zu analysierenden Flüssigkeit gefüllt und in den Strahlengang einer Anordnung aus Lichtquelle und optischem Detektor gebracht werden. Dagegen beinhalten Durchflußküvetten einen Strömungskanal, der in Strömungsrichtung oder auch quer zur Strömungsrichtung in den Strahlengang der optischen Anordnung, die aus Lichtquelle und optischem Detektor besteht, gebracht wird.Like reactors with and without an integrated evaluation component, optical transmission cells are currently used in a wide variety of designs in chemical analysis and synthesis. Simple embodiments consist of measuring cuvettes which are filled with the liquid to be analyzed and placed in the beam path of an arrangement of light source and optical detector. In contrast, flow-through cells contain a flow channel which is brought into the beam path of the optical arrangement, which consists of light source and optical detector, in the flow direction or also transverse to the flow direction.
In E. Verpoorte, A. Manz, H. Lüdli, H.M. Widmer, B.H. van der Schoot, N.F. de Rooij , A Novel Optical Detector for Use in Miniaturized Total Chemical Analysis Systems, Transducers '91, Book of Abstracts, S. 796-799, ist eine mikromechanische Durchflußküvette beschrieben, welche aus einem durch anisotrope Ätzverfahren realisierten Kanal besteht, der an seiner Oberfläche mit einem mit Fenstern versehenen Siliziumchip abgedeckt ist. Durch Verwendung von Siliziumwafern mit einer <100>-Kristallorientierung weisen die anisotrop geätzten Kanalseitenwände die Orientierung der ätzresisten- ten <111>-Kristallebene auf. Wie es für Fachleute bekannt ist, weist diese Ebene einen Winkel von etwa 54° zu einer waagerechten Bezugsebene auf. Bei der bekannten mikromechanischen Durchflußküvette erfolgt die Lichteinkopplung durch annähernd senkrechte Einstrahlung mit einem Lichtwellenleiter durch eine optisches Eintrittsfenster, der auf eine geneigte Stirnseite des geätzten Kanals justiert wird. Senkrecht bezieht sich in diesem Zusammenhang auf eine zur Flußrichtung des Probenfluids senkrechte Richtung. Durch Reflexion an der einen Stirnseite des Kanals wird Licht in das Zelleninnere und durch Mehrfachreflexionen an den Seitenwänden zur zweiten Stirnseite geführt, wo es durch ein optisches Fenster, d.h. durch den Deckchip, aus dem Kanal ausgekoppelt und in eine senkrecht zur Flußrichtung der Probenflüssigkeit angeordnete Glasfaser eingespeist wird. Die Auskopplung des Lichts erfolgt also an der zweiten Stirnseite, wobei die Auskopplungsglasfaser zu einem Detektor führt, der konventionell aufgebaut sein kann.In E. Verpoorte, A. Manz, H. Lüdli, HM Widmer, BH van der Schoot, NF de Rooij, A Novel Optical Detector for Use in Miniaturized Total Chemical Analysis Systems, Transducers '91, Book of Abstracts, p. 796- 799, a micromechanical flow-through cell is described which consists of a channel realized by anisotropic etching processes, which is covered on its surface with a silicon chip provided with windows. By using silicon wafers with a <100> crystal orientation, the anisotropically etched channel side walls have the orientation of the etch-resistant <111> crystal plane. As is known to those skilled in the art, this plane has an angle of approximately 54 ° to a horizontal reference plane. In the known micromechanical flow-through cell, the light is coupled through almost vertical radiation with an optical fiber through an optical entrance window, which is adjusted to an inclined face of the etched channel. In this context, vertical refers to a direction perpendicular to the flow direction of the sample fluid. By reflection on one end of the channel, light is guided into the interior of the cell and by multiple reflections on the side walls to the second end, where it is coupled out of the channel through an optical window, ie through the cover chip, and into a glass fiber arranged perpendicular to the flow direction of the sample liquid is fed. The light is thus decoupled on the second end face, the decoupling glass fiber leading to a detector which can be constructed conventionally.
Ein Nachteil der handelsüblichen Mikrotiterplatten besteht darin, daß dieselben typische Reaktorinnenvolumina im Bereich einiger ml und Diffusionsweglängen im Bereich einiger mm aufweisen. Dies führt dazu, daß der Ablauf der chemischen Prozesse im Inneren des Reaktors, d.h. die Bindung der Ana- lytmoleküle an die Rezeptorschicht, die Erzeugung der Indikatorgröße, usw. , hauptsächlich durch die vergleichsweise langen Diffusionswege und die damit verbundenen langen Diffusionszeiten bestimmt wird. Die Dauer einer Analyse kann daher im Bereich einiger Stunden liegen.A disadvantage of the commercially available microtiter plates is that they have typical internal reactor volumes in the range of a few ml and diffusion path lengths in the range of a few mm. This leads to the fact that the course of the chemical processes inside the reactor, i.e. the binding of the analyte molecules to the receptor layer, the generation of the indicator size, etc., is mainly determined by the comparatively long diffusion paths and the associated long diffusion times. The duration of an analysis can therefore be in the range of a few hours.
Ferner erfolgt die Prozessierung von Mikrotiterplatten-Tests durch automatisierte Analysengeräte, die einen vergleichsweise hohen Mechanisierungsgrad aufweisen müssen (z.B. Pi- pettierroboter, Platten-Transportmechanismen) , wodurch die Kosten und die Fehleranfälligkeit erhöht werden.Furthermore, microtiter plate tests are processed by automated analysis devices, which must have a comparatively high degree of mechanization (e.g. pipetting robots, plate transport mechanisms), which increases the costs and the susceptibility to errors.
Die Verwendung von Reaktoren ohne integrierte Auswertekomponente erfordert im allgemeinen zusätzliche Transportschritte am Ende der Indikatorreaktion, die zu erhöhtem Aufwand und je nach Ausgestaltung zu Signalverlusten, wie z.B. durch Vermischungsprozesse beim Transport in einem Durchflußsystem, führen können. Optische Transmissionszellen nach dem Kuvettenprinzip weisen ein vergleichsweise großes Flüssigkeitsvolumen im Bereich einiger ml auf und sind nicht für einen Durchflußbetrieb geeignet. Die automatische Prozessierung von Probenserien kann dementsprechend nur mit hohem mechanischem Aufwand unter Verwendung eines Robotersystem bzw. von Handlingautomaten, erfolgen.The use of reactors without an integrated evaluation component generally requires additional transport steps at the end of the indicator reaction, which can lead to increased expenditure and, depending on the configuration, to signal losses, such as, for example, due to mixing processes during transport in a flow system. Optical transmission cells based on the cuvette principle have a comparatively large liquid volume in the range of a few ml and are not suitable for flow-through operation. Accordingly, the automatic processing of sample series can only be carried out with great mechanical effort using a robot system or handling machines.
Optische Durchflußküvetten werden häufig in konventioneller Technik, wie z.B. durch Kunststoff-Spritzguß, hergestellt, wodurch eine Miniaturisierung nur bis zu einem gewissen Grad möglich ist.Optical flow cells are often used in conventional technology, e.g. made by plastic injection molding, whereby miniaturization is only possible to a certain extent.
Die mikromechanische Durchflußküvette in Siliziumtechnologie, die oben erwähnt ist, weist ferner, wie es oben beschrieben wurde, eine bewußt gewählte senkrechte Lichteinkopplung auf, damit ein Strahlengang mit Mehrfachreflexionen an den Kanalwänden entsteht. Durch eine hohe Anzahl von Mehrfachreflexionen soll die effektive optische Weglänge der Zelle im Vergleich zum Kanaldurchmesser um Faktoren 10 bis 50 wesentlich erhöht werden, wodurch eine verbesserte Erfassungsempfindlichkeit erreicht werden soll. Da die geätzten Kanalwände aus Silizium jedoch lediglich verlustbehaftete Reflexionen zulassen, muß in diese bekannte Transmissionsmeßzelle eine hohe Lichtleistung eingekoppelt werden, um eine meßbare Lichtleistung am Ausgang auszukoppeln.The micromechanical flow cell in silicon technology, which is mentioned above, furthermore, as described above, has a consciously chosen vertical light coupling, so that a beam path with multiple reflections on the channel walls is created. A high number of multiple reflections is intended to significantly increase the effective optical path length of the cell compared to the channel diameter by a factor of 10 to 50, which is said to improve detection sensitivity. However, since the etched silicon channel walls only allow lossy reflections, a high light output must be coupled into this known transmission measuring cell in order to couple out a measurable light output at the output.
Die US 4,908,112 offenbart einen Siliziumhalbleiterwafer zum Analysieren mikronischer biologischer Proben. Das analytische Gerät umfaßt einen Trennungskanal in einer länglichen Form, Elektroden, die in dem Kanal gebildet sind, sowie einen Vorrats- und einen Aufnahmebehälter. Der eine oder auch mehrere Trennungskanäle sind in einem Siliziumwafer gebildet, und dieselben weisen abgeschrägte Wände auf, wie sie typischerweise beim Ätzen mit Kalilauge entstehen. Auf dem Kanal ist eine Siliziumdioxidschicht gebildet. Die Elektroden werden verwendet, um eine Bewegung der Probenflüssig- keiten durch den Kanal mittels Elektroosmose zu aktivieren. Um die Probe zu analysieren, wird ein Laserstrahl auf eine abgeschrägte Seitenwand des Kanals gerichtet, von wo er quer über den Kanal quer zu der gegenüberliegenden Wand reflektiert wird, woraufhin derselbe von dort wieder aus dem Kanal reflektiert wird. Durch das einfallende Laserlicht wird in einer geeigneten analytischen Probe eine Fluoreszenz erzeugt, wobei das Fluoreszenzlicht, das aus dem Kanal austritt, mittels eines Photodetektors erfaßt wird. Das Fluoreszenzlicht wird verwendet, um die durch Elektromigration getrennten Probenbestandteile zu ermitteln.US 4,908,112 discloses a silicon semiconductor wafer for analyzing micronic biological samples. The analytical device includes a separation channel in an elongated shape, electrodes formed in the channel, and a reservoir and a receptacle. The one or more separation channels are formed in a silicon wafer, and they have beveled walls, as are typically produced when etching with potassium hydroxide solution. A silicon dioxide layer is formed on the channel. The electrodes are used to detect movement of the sample liquid. activated through the canal by means of electro osmosis. In order to analyze the sample, a laser beam is directed onto a slanted side wall of the channel, from where it is reflected across the channel across to the opposite wall, whereupon the same is again reflected out of the channel. Fluorescence is generated in a suitable analytical sample by the incident laser light, the fluorescent light emerging from the channel being detected by means of a photodetector. The fluorescent light is used to determine the sample components separated by electromigration.
Die EP 0 488 947 AI offenbart eine miniaturisierte Detektorzelle, welche aus Silizium oder Quarz hergestellt ist. Dieselbe umfaßt einen Kanal, in dem sich ein Probenfluid befindet, sowie ein Einlaß- und ein Auslaßfenster für Licht, um eine Transmissionsmessung durchzuführen. Das Licht wird senkrecht auf eine schräge Wand des Kanals eingestrahlt, um in dem Kanal bzw. dem länglichen Behälter Mehrfachreflexionen durchzuführen, wonach es aus der Auslaßöffnung zu einem entsprechenden Detektor gerichtet wird. Diese Mehrfachreflexionen führen zu einer deutlichen Verlängerung der Wechselwirkungsstrecke.EP 0 488 947 AI discloses a miniaturized detector cell which is made of silicon or quartz. It includes a channel in which a sample fluid is located, and an inlet and an outlet window for light in order to carry out a transmission measurement. The light is radiated perpendicularly onto an inclined wall of the channel in order to carry out multiple reflections in the channel or the elongated container, after which it is directed from the outlet opening to a corresponding detector. These multiple reflections lead to a significant extension of the interaction path.
Die DE 41 37 060 AI offenbart eine Mikroküvette für die Infrarotspektroskopie. Dieselbe weist einen Kanal und senkrecht dazu angeordnete Einlaß- und Auslaßöffnungen für ein Probenfluid auf. Dabei wird Licht direkt durch Siliziumscheiben, die die Küvette bilden, eingestrahlt.DE 41 37 060 AI discloses a micro cuvette for infrared spectroscopy. It has a channel and inlet and outlet openings for a sample fluid arranged perpendicularly thereto. Light is radiated directly through silicon wafers that form the cuvette.
Die GB 2 071 355 A offenbart eine Flüssigzelle für eine spektroskopische Analyse, die eine Frontplatte als optisches Fenster, eine Rückplatte, die eine reflektierende Oberfläche aufweist und eine Abdichtungseinrichtung zwischen den zwei Platten aufweist. In der Rückplatte befindet sich eine Eintritts- bzw. eine Austrittsöffnung für Flüssigkeiten, die in der Zelle analysiert werden sollen. Die Entgegenhaltung 6 (CH 674 082 A5) offenbart eine Küvette, die als Kernstück ein Prisma von ausgewählter Form aus einem lichtdurchlässigen Material aufweist, dessen Brechungsindex höher ist als der Brechungsindex der zu untersuchenden Lösung. Über dem Prisma ist ein Hohlraum angeordnet, der mit einer zu bestimmenden Flüssigkeit gefüllt ist, während unter dem Prisma ein leerer Hohlraum sitzt. Bei der Küvette breitet sich das Licht im wesentlichen in dem Prisma aus und wird durch ein neben dem Prisma angeordneten Fluid beeinflußt.GB 2 071 355 A discloses a liquid cell for spectroscopic analysis, which has a front plate as an optical window, a rear plate which has a reflective surface and a sealing device between the two plates. In the back plate there is an inlet or an outlet for liquids that are to be analyzed in the cell. Document 6 (CH 674 082 A5) discloses a cuvette which has as its core a prism of selected shape made of a translucent material, the refractive index of which is higher than the refractive index of the solution to be examined. A cavity is arranged above the prism, which is filled with a liquid to be determined, while an empty cavity sits under the prism. In the case of the cuvette, the light essentially spreads out in the prism and is influenced by a fluid arranged next to the prism.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine mikromechanische Transmissionsmeßzelle zu schaffen, welche einen geringen Probenfluid- bzw. Reagenzienverbrauch ermöglicht und eine hohe Erfassungsgenauigkeit erreicht.The object of the present invention is to provide a micromechanical transmission measuring cell which enables low sample fluid or reagent consumption and achieves high detection accuracy.
Diese Aufgabe wird durch eine mikromechanische Transmissionsmeßzelle gemäß Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by a micromechanical transmission measuring cell according to claim 1.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß für eine hohe Erfassungsgenauigkeit Mehrfachreflexionen von in einen Probenfluidbehälter eingekoppeltem Licht an der Behälterinnenwand vermieden werden müssen, um die Reflexionsverluste in dem Probenfluidbehälter auf ein Minimum zu bringen. Daher wird bei der mikromechanischen Transmissionszelle gemäß der vorliegenden Erfindung ein quasiparalleles Lichtstrahlenbündel, das im folgenden als "Lichtstrahl" bezeichnet wird, mit einem Durchmesser, der kleiner als der Innenquerschnitt des Fluidbehälters ist, zur Transmissionsmessung verwendet. Der "Lichtstrahl" wird definiert auf eine erste Reflektoreinrichtung derart eingekoppelt, daß er den Probenfluidbehälter, der mikromechanisch in einem Siliziumsubstrat hergestellt sein kann, weitgehende ohne Mehrfachreflexionen an der Behälterwand durchläuft. Diese Reflektoreinrichtung kann beispielsweise mit Gold beschichtet sein, wodurch ihre Reflexionseigenschaften optimal werden. Es ist nicht notwendig, die restliche Innenwand mit Gold zu beschichten, da lediglich ein kleiner Anteil des in den Behälters eingespei- sten Lichts Mehrfachreflexionen an der Behälterwand erfährt.The invention is based on the finding that, for high detection accuracy, multiple reflections of light coupled into a sample fluid container on the inner wall of the container must be avoided in order to minimize the reflection losses in the sample fluid container. Therefore, in the micromechanical transmission cell according to the present invention, a quasi-parallel light beam, which is referred to below as "light beam", with a diameter that is smaller than the inner cross section of the fluid container, is used for transmission measurement. The "light beam" is coupled onto a first reflector device in such a way that it passes through the sample fluid container, which can be micromechanically produced in a silicon substrate, largely without multiple reflections on the container wall. This reflector device can be coated with gold, for example, whereby its reflection properties become optimal. It is not necessary to coat the rest of the inner wall with gold, since only a small proportion of the material stored in the container most light experiences multiple reflections on the container wall.
Das zur Messung verwendete Licht kann in der Regel nicht als "Lichtstrahl" vorliegen, sondern dasselbe kann divergent sein. In solchen Fällen kann optional ein kollimierendes Linsensystem an geeigneter Stelle in dem Lichtstrahlengang eingefügt werden. Diese Verfahren ist aus der Optik allgemein bekannt. Wird das aus einem Lichtwellenleiter austretenden divergente Licht verwendet, so wird zweckmäßigerweise eine Gradientenlinse geeigneter Länge unmittelbar auf die Endfläche des Lichtwellenleiters aufgebracht.As a rule, the light used for the measurement cannot exist as a "light beam", but the same can be divergent. In such cases, a collimating lens system can optionally be inserted at a suitable point in the light beam path. This method is generally known from optics. If the divergent light emerging from an optical waveguide is used, a gradient lens of suitable length is expediently applied directly to the end face of the optical waveguide.
Die mikromechanische Transmissionszelle zur Bestimmung der optischen Absorption eines Probenfluids umfaßt einen Behälter zum Halten des Probenfluids, eine Lichtdurchlaßöffnung zum Einführen des Lichts in den Behälter und die Reflektoreinrichtung, die das Licht derart bezüglich des Behälters richtet, daß ein Großteil des Lichts den Behälter ohne Mehrfachreflexionen an einer Behälterwand durchläuft.The micromechanical transmission cell for determining the optical absorption of a sample fluid comprises a container for holding the sample fluid, a light transmission opening for introducing the light into the container and the reflector device which directs the light with respect to the container in such a way that a large part of the light is directed to the container without multiple reflections passes through a container wall.
Im Vergleich zu makroskopischen Reaktoren, wie z.B. der eingangs beschriebenen Mikrotiterplatte, bietet die mikromechanische Transmissionszelle gemäß der vorliegenden Erfindung den Vorteil des geringen Reaktorinnenvolumens, der durch die mikromechanische Siliziumverarbeitungstechnik möglich ist. Dadurch ergeben sich kurze Diffusionswege und Diffusionszeiten, ein geringer Reagenzien- und Analyt- bzw. Proben- fluid-Verbrauch. Die mikromechanische Transmissionszelle kann eine Probenfluideinlaßöffnung aufweisen, durch die ein Probenfluid in den Behälter eingebracht wird, wonach sie im sogenannten "Stopped-Flow" Betrieb betrieben wird, d.h. das Probenfluid fließt nicht durch die mikromechanische Transmissionsmeßzelle durch sondern steht gewissermaßen in derselben. Durch Vorsehen einer Probenfluidauslaßöffnung kann die raikromechanische Transmissionszelle gemäß der vorliegenden Erfindung jedoch auch im Durchflußbetrieb eingesetzt werden. Sie weist somit eine hohe Flexibilität im Einsatz auf. Bei Vorhandensein einer Ein- und einer Auslaßöffnung ist ebenfalls der "Stopped-Flow"-Betrieb möglich. In diesem Fall wird das Reagens eingepumpt, wonach die Pumpe gestoppt, und der Ablauf der Reaktion abgewartet werden.In comparison to macroscopic reactors, such as the microtiter plate described at the outset, the micromechanical transmission cell according to the present invention offers the advantage of the small internal reactor volume that is possible through the micromechanical silicon processing technology. This results in short diffusion paths and diffusion times, low reagent and analyte or sample fluid consumption. The micromechanical transmission cell can have a sample fluid inlet opening, through which a sample fluid is introduced into the container, after which it is operated in the so-called "stopped-flow" mode, ie the sample fluid does not flow through the micromechanical transmission measuring cell, but rather it stands in it. By providing a sample fluid outlet opening, however, the raikromechanical transmission cell according to the present invention can also be used in flow-through mode. It is therefore extremely flexible in use. In the presence of an inlet and an outlet opening "Stopped-Flow" operation is also possible. In this case, the reagent is pumped in, the pump is stopped and the reaction is awaited.
Im Vergleich zu Reaktoren ohne integrierte Auswertekomponente (wie z.B. einer Fused Silica Kapillare) ermöglicht sie eine in-situ-Bestimmung von Reaktionsergebnissen ohne den Aufwand zusätzlicher Transporte. Ferner können Reaktionsabläufe im Reaktorinnenvolumen beispielsweise durch Messungen der Reaktionskinetik in-situ-mäßig bestimmt werden.Compared to reactors without an integrated evaluation component (such as a fused silica capillary), it enables reaction results to be determined in situ without the need for additional transportation. Furthermore, reaction processes in the interior of the reactor can be determined in situ, for example, by measuring the reaction kinetics.
Wie es bereits erwähnt wurde, bestehen die Hauptvorteile der mikromechanischen Transmissionszelle gegenüber der bekannten mikromechanischen Durchflußküvette mit integrierter Auswertekomponente in der minimalen Anzahl von Reflexionen in dem Probenfluidbehälter durch die Wahl des Strahlenganges parallel oder senkrecht zur Strömungsrichtung sowie parallel zur Behälterwand, wodurch Reflexionsverluste des durch den Behälter transmittierten Lichts minimiert werden. Ferner erlaubt die mikromechanische Transmissionszelle gemäß der vorliegenden Erfindung beliebige Kombinationsmöglichkeiten der Lichtein- und Lichtauskopplung bzw. der fluidischen Zu- und Abfuhr auf der Ober- bzw. Unterseite des Behälters.As has already been mentioned, the main advantages of the micromechanical transmission cell over the known micromechanical flow-through cell with an integrated evaluation component are the minimal number of reflections in the sample fluid container through the choice of the beam path parallel or perpendicular to the direction of flow and parallel to the container wall, thereby reducing reflection losses through the container transmitted light can be minimized. Furthermore, the micromechanical transmission cell according to the present invention allows any combination of light coupling and light coupling or fluid supply and discharge on the top and bottom of the container.
Die mikromechanische Transmissionszelle gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch Immobilisierung einer biochemischen Komponente an der Behälterinnenwand, welche durch Wechselwirkung mit einem zugehörigen, zu detektierenden Reaktionspartner, wie z.B. einem Enzymsubstrat oder einem Antigen, eine chemische Reaktion im Reaktorinneren auslöst bzw. beeinflußt und so ein optisch detektierbares Reaktionsergebnis erzeugt, das mit der Analytkonzentration korreliert werden kann, auch als biochemischer Reaktor eingesetzt werden, ohne daß die Transmission durch die Reflexionseigenschaften der biochemischen Komponente an der Innenwand der Behälters beeinflußt wird. Ohne Immobilisierung einer biochemischen Komponente an dem Behälter kann die mikromechanische Transmissionszelle als universell einsetzbare Transmissionszelle verwendet werden.The micromechanical transmission cell according to the present invention can by immobilizing a biochemical component on the inner wall of the container, which, through interaction with an associated reaction partner to be detected, such as an enzyme substrate or an antigen, triggers or influences a chemical reaction in the interior of the reactor and thus an optically detectable one The reaction result generated, which can be correlated with the analyte concentration, can also be used as a biochemical reactor without the transmission being influenced by the reflection properties of the biochemical component on the inner wall of the container. Without immobilizing a biochemical component on the container, the micromechanical transmission cell can be used as a universally usable transmission cell be used.
Bevorzugte Ausfuhrungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detaillierter erläutert. Es zeigen:Preferred exemplary embodiments of the present invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 eine Grundstruktur der Transmissionszelle mit geneigten Wänden an den Stirnflächen eines Behälters und mit einer Lichteinkopplung aus einem Lichtwellenleiter;1 shows a basic structure of the transmission cell with inclined walls on the end faces of a container and with a light coupling from an optical waveguide;
Fig. 2 eine Grundstruktur des Reaktors mit geneigten Wänden an den Seitenflächen des Behälters;2 shows a basic structure of the reactor with inclined walls on the side surfaces of the container;
Fig. 3 eine Draufsicht auf die mikromechanische Transmissionszelle von Fig. 1, bei der der Deckel entfernt ist;3 shows a plan view of the micromechanical transmission cell from FIG. 1, in which the cover has been removed;
Fig. 4 eine Querschnittsansicht der ikromechanischen Transmissionszelle von Fig. 3, bei der eine Einlaß- und eine Auslaßöffnung direkt unterhalb bzw. oberhalb des Behälters gezeigt sind;FIG. 4 is a cross-sectional view of the micromechanical transmission cell of FIG. 3, in which an inlet and an outlet opening are shown directly below or above the container;
Fig. 5 eine Draufsicht auf eine bezüglich Fig. 4 modifizierten Transmissionszelle mit seitlichem Einlaß;FIG. 5 shows a top view of a transmission cell with side inlet modified with respect to FIG. 4; FIG.
Fig. 6 eine Querschnittansicht entlang der Linie A-A von Fig. 5;Fig. 6 is a cross sectional view taken along line A-A of Fig. 5;
Fig. 7 eine mikromechanische Transmissionszelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;7 shows a micromechanical transmission cell according to a first exemplary embodiment of the present invention;
Fig. 8 eine mikromechanische Transmissionszelle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit integrierter Ein- und Auskoppeloptik für Lichtwellenleiter; Fig. 9 eine mikromechanische Transmissionszelle gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und8 shows a micromechanical transmission cell according to a second exemplary embodiment of the present invention with integrated coupling and decoupling optics for optical waveguides; 9 shows a micromechanical transmission cell according to a third exemplary embodiment of the present invention; and
Fig. 10 eine mikromechanische Transmissionszelle gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.10 shows a micromechanical transmission cell according to a fourth exemplary embodiment of the present invention.
Die mikromechanische Transmissionszelle der vorliegenden Erfindung kann für eine integrierte optische Transmissionsmessung verwendet und vollständig durch die Verfahren der Silizium-Mikromechanik hergestellt und miniaturisiert werden. Die mikromechanische Transmissionszelle kann für die folgenden Zwecke verwendet werden:The micromechanical transmission cell of the present invention can be used for an integrated optical transmission measurement and can be completely manufactured and miniaturized by the methods of silicon micromechanics. The micromechanical transmission cell can be used for the following purposes:
An der Innenwand des Reaktors wird eine biochemische Komponente immobilisiert, wie z.B. ein Enzym oder ein Rezeptor, die durch Wechselwirkung mit einem zugehörigen, zu detektie- renden Reaktionspartner, wie z.B. einem Enzymsubstrat oder Antigen, eine chemische Reaktion im Reaktorinneren auslöst bzw. beeinflußt und so ein optisch detektierbares Reaktionsergebnis erzeugt, das mit der Analytkonzentration korreliert werden kann.A biochemical component is immobilized on the inside wall of the reactor, e.g. an enzyme or a receptor, which by interaction with an associated reaction partner to be detected, such as e.g. an enzyme substrate or antigen that triggers or influences a chemical reaction inside the reactor and thus produces an optically detectable reaction result that can be correlated with the analyte concentration.
Des weiteren kann die mikromechanische Transmissionszelle gemäß der vorliegenden Erfindung ohne Immobilisierung einer biochemischen Komponente als universell einsetzbare Transmissionszelle verwendet werden. Durch das geringe realisierbare Innenvolumen können zeitlich und lokal aufgelöste Messungen wesentlich besser durchgeführt werden als mit makroskopischen Zellen. Beispielsweise kann der Ablauf einer chemischen Reaktion im Inneren der vom Reaktionsmedium durchströmten Zelle unmittelbar anhand eines optisch detektier- baren Reaktionsergebnisses überwacht werden. Auf diese Weise kann die Reaktionskinetik unmittelbar verfolgt und eventuell durch geeignete Wahl der Reaktionsparameter, wie z.B. der Durchflußrate, des Mischungsverhältnisses der Reagenzien vor der Zelle, während der Messung, d.h. on-line, gesteuert wer- den .Furthermore, the micromechanical transmission cell according to the present invention can be used as a universally usable transmission cell without immobilizing a biochemical component. Due to the small realizable internal volume, measurements with temporal and local resolution can be carried out much better than with macroscopic cells. For example, the course of a chemical reaction inside the cell through which the reaction medium flows can be monitored directly on the basis of an optically detectable reaction result. In this way, the reaction kinetics can be followed directly and possibly controlled by a suitable choice of the reaction parameters, such as the flow rate, the mixing ratio of the reagents in front of the cell, during the measurement, ie on-line. the .
Fig. 1 und Fig. 2 zeigen das fluidische Grundkonzept der mikromechanischen Transmissionszelle gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 1 stellt einen Längsschnitt durch die Zelle 12 dar, wohingegen Fig. 2 einen Querschnitt derselben liefert. In einem Substrat 10, das vorzugsweise aus Silizium besteht, ist ein Behälter 12 gebildet. In den Behälter 12 kann mittels einer Einlaßöffnung 14 ein Probenfluid eingeführt werden, welches durch eine Auslaßöffnung 16 aus dem Behälter 12 austreten kann. Wie es in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt ist, weisen sowohl die Einlaßöffnungen 14 als auch die Auslaßöffnung 16 sowie der Behälter 12 geneigte Wände 18, 26 auf, die mittels bekannter anisotroper Ätzverfahren für Silizium, wie z.B. Ätzen mit Kalilauge, hergestellt werden. An dieser Stelle sei angemerkt, daß die Ein- bzw. die Auslaßöffnung 14, 16 keine geneigten Wände benötigen. Für Fachleute ist es offensichtlich, daß das anisotrope Ätzen mit Kalilauge relativ glatte geneigte Wände 18, 26 ergibt, die auch zur Reflexion von Licht ohne nennenswerte Streuung geeignet sind.1 and 2 show the basic fluidic concept of the micromechanical transmission cell according to the present invention. Fig. 1 shows a longitudinal section through the cell 12, whereas Fig. 2 provides a cross section of the same. A container 12 is formed in a substrate 10, which preferably consists of silicon. A sample fluid can be introduced into the container 12 by means of an inlet opening 14 and can exit the container 12 through an outlet opening 16. As shown in Fig. 1 and Fig. 2, both the inlet openings 14 and the outlet opening 16 and the container 12 have inclined walls 18, 26 which are formed by means of known anisotropic etching processes for silicon, such as e.g. Etching with potash lye. At this point it should be noted that the inlet and outlet openings 14, 16 do not require inclined walls. It is obvious to a person skilled in the art that the anisotropic etching with potassium hydroxide solution results in relatively smooth inclined walls 18, 26, which are also suitable for reflecting light without any significant scatter.
Wenn die mikromechanische Transmissionszelle sowohl die Einlaßöffnung 14 als auch die Auslaßöffnungen 16 aufweist, dient der Behälter 12 als Probenfluidkanal. Auf der dem Substrat 10 gegenüberliegenden Seite ist der Behälter 12 durch einen Deckel 20 abgeschlossen. Aus der weiteren Beschreibung wird es offensichtlich, daß die Querschnitt- bzw. Längsschnittform des Behälters 12 unerheblich ist, solange Licht derart in den Behälter 12 gerichtet wird, damit möglichst wenig Mehrfachreflexionen des Lichts an den Wänden auftreten.If the micromechanical transmission cell has both the inlet opening 14 and the outlet openings 16, the container 12 serves as a sample fluid channel. On the side opposite the substrate 10, the container 12 is closed off by a lid 20. From the further description it is evident that the cross-sectional or longitudinal sectional shape of the container 12 is irrelevant as long as light is directed into the container 12 in such a way that as few multiple reflections of the light as possible occur on the walls.
In Fig. 1 ist beispielhaft die Transformation eines aus einem Lichtwellenleiter 7 austretenden, divergenten Strahlenbündels in ein quasiparalleles Strahlenbündel 24 ("Lichtstrahl") mit Hilfe einer Gradientenlinse 6 gezeigt. Wie es in Fig. 3 zu sehen ist, weist der Behälter 12 der optischen Transmissionszelle gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugterweise eine längliche Form auf. Insbesondere zeigt Fig. 3 eine Draufsicht auf die mikromechanische Transmissionszelle gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der der Deckel 20 weggelassen ist. Bei dieser Variante ist durch das Siliziumsubstrat 10 eine Einlaßöffnung 14 zum Einführen eines Probenfluids in den Behälter 12 gebildet. Wie es aus Fig. 4 ersichtlich ist, ist die Auslaßöffnung 16 jedoch nicht, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, ebenfalls in dem Siliziumsubstrat 10 gebildet, sondern in dem Deckel 20.1 shows, by way of example, the transformation of a divergent beam emerging from an optical waveguide 7 into a quasi-parallel beam 24 (“light beam”) using a gradient lens 6. As can be seen in Fig. 3, the container 12 of the optical transmission cell according to the present invention preferably has an elongated shape. In particular, FIG. 3 shows a top view of the micromechanical transmission cell according to the present invention, in which the cover 20 is omitted. In this variant, an inlet opening 14 for introducing a sample fluid into the container 12 is formed by the silicon substrate 10. As can be seen from FIG. 4, however, the outlet opening 16 is not also formed in the silicon substrate 10, as is shown in FIG. 1, but in the cover 20.
Der Deckel 20, der den Behälter an der Substratoberseite abschließt, sollte aus einem geeigneten Material bestehen, das abhängig von der Art der nachfolgend beschriebenen Lichteinkopplung zumindest stellenweise eine optische Transparenz aufweisen muß. Ein geeignetes Material für den Deckel 20 könnte beispielsweise Glas sein. Abgesehen von den für die Lichtein- bzw. Lichtauskopplung erforderlichen optisch transparenten Fenstern kann die gesamte Innenwand des Behälters, vorzugsweise jedoch lediglich die als Spiegelflächen bzw. Reflektoreinrichtungen verwendeten geneigten Wände 18 beschichtet werden, um ein optimales optisches Reflexionsverhalten zu erzielen. Ein geeignetes Beschichtungsmaterial für Silizium ist beispielsweise Gold.The lid 20, which closes the container on the upper side of the substrate, should be made of a suitable material which, depending on the type of light coupling described below, must have an optical transparency at least in places. A suitable material for the cover 20 could be glass, for example. Apart from the optically transparent windows required for the coupling in or out of light, the entire inner wall of the container, but preferably only the inclined walls 18 used as mirror surfaces or reflector devices, can be coated in order to achieve an optimal optical reflection behavior. A suitable coating material for silicon is, for example, gold.
Wie es aus dem Vergleich von Fig. 4 mit Fig. 1 offensichtlich ist, können der Zu- und Abfluß des Behälters 12 auf beliebige Art und Weise kombiniert werden. Der Zu- und der Abfluß können entweder an der Rückseite des Substrats 10 oder im Deckel 20 realisiert werden.As is evident from the comparison of FIG. 4 with FIG. 1, the inflow and outflow of the container 12 can be combined in any way. The inflow and outflow can be realized either on the back of the substrate 10 or in the cover 20.
Wie es in Fig. 5 und Fig. 6 gezeigt ist, wobei Fig. 6 ein Querschnitt entlang der Linie A-A von Fig. 5 ist, kann die Einlaßöffnung 14 bzw. die Auslaßöffnung 16 (Fig. 6) auch seitlich von dem Behälter 12 angeordnet werden, wobei dieselben mittels eines kurzen Zuführungskanals 22 jeweils mit dem Behälter 12 verbunden sind. Fig. 7 zeigt eine Funktionsdarstellung der mikromechanischen Transmissionszelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Durch den transparenten Deckel 20 wird der "Lichtstrahl" 24, der schematisch durch einen Strahlenzug dargestellt ist, unter einem definierten Winkel auf eine Reflektoreinrichtung 26 eingestrahlt. Die Reflektoreinrichtung 26 ist bei dem in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel der mikromechanischen Transmissionsmeßzelle als eine geneigte Wand des Behälters 12 realisiert, welche mit einer hochreflektierenden Schicht, beispielsweise mit Gold, beschichtet sein kann, um ein optimales Reflexionsverhalten zu erreichen.As shown in FIGS. 5 and 6, wherein FIG. 6 is a cross section along the line AA of FIG. 5, the inlet opening 14 and the outlet opening 16 (FIG. 6) can also be arranged laterally of the container 12 are, which are each connected to the container 12 by means of a short feed channel 22. 7 shows a functional representation of the micromechanical transmission cell according to a first exemplary embodiment of the present invention. Through the transparent cover 20, the "light beam" 24, which is schematically represented by a beam path, is radiated onto a reflector device 26 at a defined angle. In the exemplary embodiment of the micromechanical transmission measuring cell shown in FIG. 7, the reflector device 26 is implemented as an inclined wall of the container 12, which can be coated with a highly reflective layer, for example with gold, in order to achieve optimal reflection behavior.
Der "Lichtstrahl" 24 (im nachfolgenden auch als das "Licht" 24 bezeichnet) wird von einem ersten Medium mit einem Brechungsindex nlf das beispielsweise Luft sein kann, in den optisch transparenten Deckel 20 mit einem Brechungsindex n2 und von dort in das Probenfluid mit dem Brechungsindex n3 eingestrahlt, um von der Reflektoreinrichtung 26 zu einer weiteren Reflektoreinrichtung im wesentlichen parallel zu der einen Behälterwand, die durch das Substrat 10 realisiert ist, und der anderen Behälterwand, die durch die Unterseite des Deckels 20 realisiert ist, zu einer weiteren Reflektoreinrichtung 28 gerichtet zu werden, welche wiederum durch eine geneigte Wand des Behälters 12 realisiert sein kann, die optional mit Gold beschichtet ist. Von der weiteren Reflektoreinrichtung 28 aus wird das Licht von dem Probenfluid mit dem Brechungsindex n3 wieder in den optisch transparenten Deckel mit dem Brechungsindex n und von dort in das äußere Medium mit dem Brechungsindex nl t das Luft sein kann, gerichtet, wie es in Fig. 7 dargestellt ist.The "light beam" 24 (hereinafter also referred to as the "light" 24) is transferred from a first medium with a refractive index n lf, which can be air, for example, into the optically transparent cover 20 with a refractive index n 2 and from there into the sample fluid irradiated with the refractive index n 3 , from the reflector device 26 to a further reflector device substantially parallel to the one container wall, which is realized by the substrate 10, and the other container wall, which is realized by the underside of the lid 20, to another To be directed reflector device 28, which in turn can be realized by an inclined wall of the container 12, which is optionally coated with gold. From the further reflector device 28, the light from the sample fluid with the refractive index n 3 is again directed into the optically transparent cover with the refractive index n and from there into the outer medium with the refractive index n lt can be the air, as shown in FIG 7 is shown.
Der optisch transparente Deckel 20 in Fig. 7 wirkt somit als Lichtdurchlaßöffnung 30 zum Einkoppeln des Lichts 24 in den Behälter 12 und gleichzeitig als weitere Lichtdurchlaßöffnung 32, um das Licht 24 aus dem Behälter 12 wieder austreten zu lassen. Für Fachleute ist es offensichtlich, daß der Deckel 20 nicht unbedingt vollständig aus transparentem Material sein muß, sondern daß derselbe beispielsweise ebenfalls aus dem Substratmaterial 10, wie z.B. Silizium, gebildet sein kann, wobei er jedoch dann als die Lichtdurchlaßöffnung 30 ein transparentes Fenster und auch für die weitere Lichtdurchlaßöffnung 32 ebenfalls ein entsprechend gestaltetes transparentes Fenster aufweisen muß. Falls kein "Lichtstrahl", also kein vollständig kollimiertes Licht zur Verfügung steht, so wird dasselbe jedoch durch die Einkopp- lung des Lichts 24 auf die Reflektoreinrichtung 26 annähernd parallel zu den Begrenzungswänden des Behälters 12 gerichtet sein, derart, daß ein Großteil des Lichts 24 den Behälter 12 ohne Mehrfachreflexionen an einer Wand desselben durchläuft. In diesem Fall kann es sinnvoll sein, die Seitenwände des Behälters vollständig mit einer hochreflektierenden Schicht, z.B. Gold, zu versehen. Ein wesentlicher Punkt der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, daß das Licht 24 im wesentlichen parallel zur Oberfläche des Substrats 10 läuft, die die bezüglich Fig. 7 untere Wand des Behälters 12 bildet.The optically transparent cover 20 in FIG. 7 thus acts as a light passage opening 30 for coupling the light 24 into the container 12 and at the same time as a further light passage opening 32 in order to let the light 24 exit the container 12 again. It is obvious to experts that the Lid 20 does not necessarily have to be completely made of transparent material, but that it can also be formed, for example, from substrate material 10, such as silicon, but it then also has a transparent window as the light transmission opening 30 and also a corresponding one for the further light transmission opening 32 designed transparent window must have. If there is no “light beam”, that is to say no completely collimated light, the same will be directed approximately parallel to the boundary walls of the container 12 by the coupling of the light 24 onto the reflector device 26 such that a large part of the light 24 passes through the container 12 without multiple reflections on a wall thereof. In this case, it can make sense to provide the side walls of the container with a highly reflective layer, for example gold. An essential point of the present invention is therefore that the light 24 runs essentially parallel to the surface of the substrate 10, which forms the lower wall of the container 12 with respect to FIG. 7.
Die Neigung der Reflektoreinrichtung 26 sowie der weiteren Reflektoreinrichtung 28 bezüglich der Längsrichtung des Behälters 12 kann durch das anisotrope Kaliumlauge-Ätzen bestimmt sein, wodurch sich ein Neigungswinkel von etwa 55° ergibt. Geneigte Wände mit anderen Neigungswinkeln oder extra in dem Probenfluidbehälter geformte Reflektoren können jedoch ebenfalls bei der Transmissionszelle gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, solange ein Großteil des in den Probenfluidbehälter eingestrahlten Lichts denselben ohne Mehrfachreflexionen an der Behälterwand durchläuft. Durch den Einkopplungswinkel des Lichtstrahls 24 in den transparenten Deckel 20 kann jeder beliebige Einfallswinkel des Lichts 24 auf die Reflektoreinrichtung 26 erreicht werden, derart, daß der Strahl im wesentlichen parallel zu dem Substrat 10 geführt wird, wodurch nur ein geringer Teil an Mehrfachreflexionen an einer Wand des Behälters 12 auftritt, um optische Verluste in dem Behälter 12 minimal zu halten. Durch den Einkopplungswinkel des Lichts 24 in den optisch transparenten Deckel kann somit jede Brechzahl n3 des Probenfluids ausgeglichen werden, wodurch die optische Transmissionsmeßzelle gemäß der vorliegenden Erfindung eine große Flexibilität im Einsatz aufweist, um immer eine möglichst optimal parallele Führung des Lichts zu erreichen.The inclination of the reflector device 26 and the further reflector device 28 with respect to the longitudinal direction of the container 12 can be determined by the anisotropic potassium hydroxide etching, which results in an inclination angle of approximately 55 °. However, inclined walls with different angles of inclination or reflectors specially formed in the sample fluid container can also be used in the transmission cell according to the present invention, as long as a large part of the light radiated into the sample fluid container passes through it without multiple reflections on the container wall. Through the coupling angle of the light beam 24 into the transparent cover 20, any angle of incidence of the light 24 on the reflector device 26 can be achieved in such a way that the beam is guided essentially parallel to the substrate 10, whereby only a small part of multiple reflections on a wall of the container 12 occurs to optical losses in the container 12 to keep to a minimum. By means of the coupling angle of the light 24 into the optically transparent cover, any refractive index n 3 of the sample fluid can thus be compensated, as a result of which the optical transmission measuring cell according to the present invention has great flexibility in use in order to always achieve the best possible parallel guidance of the light.
Die Bestimmung der transmittierten Lichtintensität, d.h. des Lichts, das durch die weitere Lichtdurchlaßöffnung 32 aus dem Deckel 20 austritt, erfolgt mit Hilfe eines für Fachleute bekannten Detektionsverfahrens.The determination of the transmitted light intensity, i.e. of the light that emerges from the cover 20 through the further light passage opening 32 is carried out with the aid of a detection method known to those skilled in the art.
Fig. 8 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der optischen Transmissionsmeßzelle gemäß der vorliegenden Erfindung. Im Vergleich zum in Fig. 7 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel weist das zweite Ausführungsbeispiel zusätzlich eine Ein/ Auskopplungseinrichtung 34 für Lichtwellenleiter auf, welche einen Einkopplungsspiegel 36, einen Auskopplungsspiegel 38, und zwei Kugellinsen 6 und die zwei Lichtwellenleiter 7 aufweist. Die Ein/Auskopplungseinrichtung besteht vorzugsweise ebenfalls aus einem Siliziumchip, wobei der Einkopplungsspiegel 36 sowie der Auskopplungsspiegel 38 als geneigte Seitenflächen realisiert sind, sowie die Lichtwellenleiter 7 und die Linsen 6 selbstjustierend in V-förmig geätzte Vertiefungen positioniert sind, wie es in Fig. 8 dargestellt ist.8 shows a second exemplary embodiment of the optical transmission measuring cell according to the present invention. In comparison to the first exemplary embodiment shown in FIG. 7, the second exemplary embodiment additionally has a coupling / decoupling device 34 for optical waveguides, which has a coupling mirror 36, a coupling mirror 38, and two spherical lenses 6 and the two optical waveguides 7. The coupling-in / coupling-out device preferably also consists of a silicon chip, the coupling-in mirror 36 and the coupling-out mirror 38 being implemented as inclined side surfaces, and the optical waveguides 7 and the lenses 6 being positioned in a self-adjusting manner in V-shaped etched recesses, as shown in FIG. 8 is.
Optional können der Einkopplungsspiegel 36 sowie der Auskopplungsspiegel 38 z. B. mit Gold beschichtet werden, um das Reflexionsverhalten der Spiegel zu optimieren.Optionally, the coupling mirror 36 and the coupling mirror 38 z. B. coated with gold to optimize the reflection behavior of the mirror.
Der optische Brechungsindex n± zwischen dem Ein- und dem Auskopplungsort und dem jeweiligen ersten Reflexionspunkt kann zur Erzielung einer exakt achsparallelen Lichteinkopplung dem Brechungsindex des Mediums im Kanal n3 angepaßt werden. Diese Anpassung kann beispielsweise durch optisch transparente Vergußmassen oder Flüssigkeiten in dem mit n1 bezeichneten Raum in Fig. 8 erreicht werden. Der Brechungs- index n2 des Deckels 20 erzeugt unter diesen Umständen nur eine Parallelverschiebung der Lichtstrahlen, die beim Entwurf der optischen Transmissionsmeßzelle gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung berücksichtigt werden kann.The optical refractive index n ± between the coupling and decoupling locations and the respective first reflection point can be matched to the refractive index of the medium in channel n 3 in order to achieve an exactly axially parallel coupling of light. This adjustment can be done, for example, by optically transparent casting compounds or liquids in the n 1 designated space can be reached in Fig. 8. Under these circumstances, the refractive index n 2 of the cover 20 only produces a parallel shift of the light beams, which can be taken into account when designing the optical transmission measuring cell according to the second exemplary embodiment of the present invention.
Gegenüber dem ersten in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel weist das in Fig. 8 gezeigte Ausführungsbeispiel ferner den Vorteil auf, daß die Fehleranfälligkeit gegenüber einem falschen Einkopplungswinkel in den optischen transparenten Deckel 20 beim zweiten Ausfuhrungsbeispiel deutlich reduziert ist, da das in Fig. 8 gezeigte zweite Ausführungsbeispiel immer eine parallel zu dem Substrat 10 bzw. zu der Ein/Auskopplungsvorrichtung 34 ausgerichtete Einkopplung möglich macht, wobei der Brechungsindex n3 , wie es erwähnt wurde, gewissermaßen durch das Medium mit dem Brechungsindex n-^ strukturmäßig berücksichtigt wird.Compared to the first embodiment shown in FIG. 7, the embodiment shown in FIG. 8 also has the advantage that the susceptibility to errors due to an incorrect coupling angle in the optical transparent cover 20 is significantly reduced in the second exemplary embodiment, since the second shown in FIG. 8 Embodiment always makes possible a coupling aligned parallel to the substrate 10 or to the coupling / decoupling device 34, the refractive index n 3 , as mentioned, being taken into account structurally to a certain extent by the medium with the refractive index n- ^.
Fig. 9 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der mikromechanischen Transmissionszelle gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Einkopplung bzw. Auskopplung des Lichts 24 an der Rückseite des Substrats 10, wodurch es nicht mehr erforderlich ist, daß der Deckel 20 optisch transparent ist. Um eine Einkopplung des Lichts 24 auf die Reflektoreinrichtung 26 zu ermöglichen, wird ein Lichtschacht 40 in dem Substrat 10 hergestellt. Die Auskopplung des Lichts 24 erfolgt durch einen weiteren Lichtschacht 42, der ebenfalls in dem Substrat 10 hergestellt ist, wie es in Fig. 9 gezeigt ist. Der Lichtschacht 40 und der weitere Lichtschacht 42 sind als geätzte Vertiefungen ausgeführt, die an die Stirnseiten des Behälters 12 bzw. an gegenüberliegenden Stellen der Behälterwände anschließen und zum Behälter hin jeweils eine optisch transparente Membran aufweisen. Die optisch transparente Membran 30 dient somit als Lichtdurchlaßöffnung, während die optisch transparente Membran 32 als weitere Lichtdurchlaßöffnung zum Auskoppeln des Lichts 24 aus dem Behälter 12 wirkt. Die Einkopplung und Auskopplung des Lichts erfolgt durch Reflexion an der Reflexionseinrichtung 26 bzw. an der weiteren Reflektoreinrichtung 28, welche als geneigte Wände in dem Lichtschacht 40 bzw. in dem weiteren Lichtschacht 42 realisiert sind. Der Einstrahlwinkel des Lichts 24, die Einstrahlebene und die Einstrahlorte sind wiederum so gewählt, daß in dem Behälter 12 ein Strahlengang parallel zur Oberfläche des Substrats 10 und entweder parallel (Stirneinstrahlung) oder senkrecht (Seiteneinstrahlung) zur Strömungsrichtung des Probenfluids entsteht, das beispielsweise durch die in Fig. 5 oder Fig. 6 gezeigte seitliche Konfiguration in den Behälter 12 ein- bzw. ausgeführt wird.9 shows a third exemplary embodiment of the micromechanical transmission cell according to the present invention. In this exemplary embodiment, the coupling or uncoupling of the light 24 takes place on the back of the substrate 10, as a result of which it is no longer necessary for the cover 20 to be optically transparent. In order to enable the light 24 to be coupled onto the reflector device 26, a light shaft 40 is produced in the substrate 10. The light 24 is decoupled by a further light shaft 42, which is also produced in the substrate 10, as shown in FIG. 9. The light shaft 40 and the further light shaft 42 are designed as etched depressions which connect to the end faces of the container 12 or at opposite locations on the container walls and each have an optically transparent membrane towards the container. The optically transparent membrane 30 thus serves as a light passage opening, while the optically transparent membrane 32 acts as a further light passage opening for decoupling the light 24 from the container 12. The coupling and The light is decoupled by reflection at the reflection device 26 or at the further reflector device 28, which are realized as inclined walls in the light shaft 40 or in the further light shaft 42. The angle of incidence of the light 24, the plane of incidence and the places of incidence are in turn chosen so that a beam path in the container 12 is parallel to the surface of the substrate 10 and either parallel (frontal radiation) or perpendicular (side radiation) to the flow direction of the sample fluid, for example by the 5 or FIG. 6, the side configuration shown in the container 12 is inserted or executed.
Fig. 10 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der optischen Transmissionsmeßzelle gemäß der vorliegenden Erfindung, welches dem in Fig. 8 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel ähnlich ist, wobei jedoch nun das Licht 24 von der Rückseite des Substrats 10 aus über den Einkopplungsspiegel der Ein- /Auskopplungseinrichtung 34 durch die Lichtdurchlaßöffnung 30 und durch die weitere Lichtdurchlaßöffnung 32 zu der weiteren Reflektoreinrichtung 28 und von dort auf den Auskopplungsspiegel 38 gerichtet wird, um die Transmissionszelle zu verlassen. Zur Erreichung eines optimal parallelen Strahlengangs in dem Behälter 12 kann zum Auffüllen der Lichtschächte 40 und 42, wie es bezüglich Fig. 8 beschrieben wurde, ein Material mit einem bestimmten Brechungsindex n^ verwendet werden.10 shows a fourth exemplary embodiment of the optical transmission measuring cell according to the present invention, which is similar to the second exemplary embodiment shown in FIG. 8, but now the light 24 from the rear of the substrate 10 passes through the coupling mirror of the coupling / decoupling device 34 the light transmission opening 30 and through the further light transmission opening 32 to the further reflector device 28 and from there to the coupling mirror 38 in order to leave the transmission cell. In order to achieve an optimally parallel beam path in the container 12, a material with a specific refractive index n ^ can be used to fill the light wells 40 and 42, as was described with reference to FIG. 8.
In Abweichung von den im Vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispielen könnte beispielsweise statt der weiteren Reflektoreinrichtung 28 eine Lichtdurchlaßöffnung beispielsweise mittels einer mikromechanischen Bohrung in dem Substrat 10 vorhanden sein, um das Licht 24 ohne eine zweite Reflexion in dem Behälter 12 aus demselben heraus zu führen.In a departure from the exemplary embodiments described above, instead of the further reflector device 28, for example, a light transmission opening could be provided in the substrate 10, for example by means of a micromechanical bore, in order to guide the light 24 out of the container 12 without a second reflection.
Ferner könnte die weitere Reflektoreinrichtung 28 statt einer geneigten Wand zum Richten des Lichts 24 in den Deckel 20 als senkrecht stehender Spiegel ausgeführt sein, wodurch das Licht 24 nach dem Einkoppeln auf die Reflektoreinrichtung 26 und dem parallelen Verlauf durch den Behälter vollständig auf dem gleichen Weg zurück reflektiert wird und durch eine Reflexion an der Reflektoreinrichtung wieder auf dem gleichen Weg der Einkopplung aus dem Behälter 20 austritt. Fachleute wissen, wie ein hin- und rücklaufender optischer Strahl getrennt werden kann, wie z.B. durch optische Filtereinrichtungen. Furthermore, the further reflector device 28 could be designed as a vertically standing mirror instead of an inclined wall for directing the light 24 into the cover 20, as a result of which after coupling onto the reflector device 26 and the parallel course through the container, the light 24 is completely reflected in the same way and emerges from the container 20 again through a reflection on the reflector device in the same way as the coupling. Those skilled in the art know how to separate an incoming and outgoing optical beam, for example by means of optical filter devices.

Claims

Patentansprüche claims
1. Mikromechanische Transmissionsmeßzelle zur Bestimmung einer optischen Absorption eines Probenfluids, mit folgenden Merkmalen:1. Micromechanical transmission measuring cell for determining an optical absorption of a sample fluid, with the following features:
einem in einem Substrat (10) gebildeten Behälter (12) zum Halten des Probenfluids;a container (12) formed in a substrate (10) for holding the sample fluid;
einer Lichtdurchlaßöffnung (30) zum Einführen des Lichts in den Behälter (12) ;a light passage opening (30) for introducing the light into the container (12);
einer Reflektoreinrichtung (26) , die das Licht (24) derart bezüglich des Behälters (12) richtet, daß ein Großteil des Lichts (24) den Behälter (12) ohne Mehrfachreflexionen an einer Wand des Behälters (12) durchläuft, und daß die optische Absorption des Probenfluids aufgrund des den Behälter ohne Mehrfachreflexionen durchlaufenden Lichts erfaßbar ist.a reflector device (26) which directs the light (24) in relation to the container (12) such that a large part of the light (24) passes through the container (12) without multiple reflections on a wall of the container (12), and that the optical Absorption of the sample fluid can be detected due to the light passing through the container without multiple reflections.
2. Mikromechanische Transmissionsmeßzelle nach Anspruch 1,2. Micromechanical transmission measuring cell according to claim 1,
bei der das Substrat (10) aus Silizium besteht.in which the substrate (10) consists of silicon.
3. Mikromechanische Transmissionsmeßzelle nach Anspruch 1 oder 2 ,3. Micromechanical transmission measuring cell according to claim 1 or 2,
bei der der Behälter (12) eine längliche Form aufweist.in which the container (12) has an elongated shape.
4. Mikromechanische Transmissionsmeßzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ,4. Micromechanical transmission measuring cell according to one of claims 1 to 3,
bei der der Behälter (12) durch einen Deckel (20) abgeschlossen ist.in which the container (12) is closed by a lid (20).
5. Mikromechanische Transmissionsmeßzelle nach Anspruch 3 oder 4, bei der die Reflektoreinrichtung (26) eine bezüglich der Längsrichtung des Behälters (12) geneigte Wand ist.5. Micromechanical transmission measuring cell according to claim 3 or 4, in which the reflector device (26) is a wall inclined with respect to the longitudinal direction of the container (12).
6. Mikromechanische Transmissionsmeßzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5,6. Micromechanical transmission measuring cell according to one of claims 1 to 5,
bei der eine Strahltransformation von eingespeistem Licht in ein im wesentlichen paralleles Strahlenbündel (24) durch eine Linse (6) bewirkt wird, wohingegen eine weitere Linse (6) den umgekehrten Vorgang bewirkt.in which a beam transformation of the light fed into an essentially parallel beam (24) is effected by a lens (6), whereas a further lens (6) effects the reverse process.
7. Mikromechanische Transmissionsmeßzelle nach Anspruch 5 oder 6 ,7. Micromechanical transmission measuring cell according to claim 5 or 6,
bei der ein Neigungswinkel der Reflektoreinrichtung (26) durch einen Ätzprozeß zum Bearbeiten des Siliziumsubstrats festgelegt ist.in which an angle of inclination of the reflector device (26) is determined by an etching process for processing the silicon substrate.
8. Mikromechanische Transmissionsmeßzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche ,8. Micromechanical transmission measuring cell according to one of the preceding claims,
die ferner eine Einlaßöffnung (14) in dem Substrat (10) zum Einführen des Probenfluids in den Behälter (12) aufweist.which further has an inlet opening (14) in the substrate (10) for introducing the sample fluid into the container (12).
9. Mikromechanische Transmissionsmeßzelle nach Anspruch 8,9. micromechanical transmission measuring cell according to claim 8,
die ferner eine in dem Substrat (10) oder in dem Deckel (20) gebildete Auslaßöffnung (16) für das Probenfluid aufweist, um einen Durchfluß des Probenfluids durch den Behälter (12) zu erlauben.which further has an outlet opening (16) for the sample fluid formed in the substrate (10) or in the lid (20) in order to allow the sample fluid to flow through the container (12).
10. Mikromechanische Transmissionsmeßzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche ferner folgende Merkmale aufweist:10. Micromechanical transmission measuring cell according to one of the preceding claims, which further has the following features:
eine weitere Reflektoreinrichtung (28) , die von der Reflektoreinrichtung (26) entfernt in dem Weg des Lichts (24) durch den Behälter (12) angeordnet ist und das bezüglich des Behälters (12) gerichtete Licht aus dem Behälter (12) heraus richtet; unda further reflector device (28) which is removed from the reflector device (26) in the path of light (24) is arranged through the container (12) and directs the light directed with respect to the container (12) out of the container (12); and
eine weitere Lichtdurchlaßöffnung (32) , aus der das durch die weitere Reflektoreinrichtung (28) gerichtete Licht aus dem Behälter (12) austritt.a further light passage opening (32) from which the light directed by the further reflector device (28) emerges from the container (12).
11. Mikromechanische Transmissionsmeßzelle nach Anspruch 10,11. A micromechanical transmission measuring cell according to claim 10.
bei die Lichtdurchlaßöffnung (30) und die weitere Lichtdurchlaßöffnung (32) mittels des Deckels (20) gebildet sind, der aus einem für das Licht (24) transparenten Material besteht.in which the light transmission opening (30) and the further light transmission opening (32) are formed by means of the cover (20), which consists of a material which is transparent to the light (24).
12. Mikromechanische Transmissionsmeßzelle nach Anspruch 11,12. Micromechanical transmission measuring cell according to claim 11,
bei der auf der Seite des Deckels (20) , die dem Behälter (12) gegenüberliegt, eine Ein/Auskopplungseinrichtung (34) angeordnet ist, die einen Einkopplungsspiegel (36) und einen AuskopplungsSpiegel (38) aufweist, die derart bezüglich der Lichtdurchlaßöffnungen (30, 32) geneigt sind, daß Licht in der Richtung in die Transmissionsmeßzelle ein- bzw. aus derselben auskoppelbar ist, in der es in dem Behälter (12) für das Probenfluid läuft.in which on the side of the lid (20) opposite the container (12), a coupling / decoupling device (34) is arranged, which has a coupling mirror (36) and a coupling mirror (38), which in relation to the light transmission openings (30 , 32) are inclined so that light can be coupled into or out of the transmission measuring cell in the direction in which it runs in the container (12) for the sample fluid.
13. Mikromechanische Transmissionsmeßzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9,13. Micromechanical transmission measuring cell according to one of claims 1 to 9,
bei der die Reflektoreinrichtung (26) außerhalb des Behälters (12) in einem in dem Substrat (10) gebildeten Lichtschacht (40) angeordnet ist.in which the reflector device (26) is arranged outside the container (12) in a light shaft (40) formed in the substrate (10).
14. Mikromechanische Transmissionsmeßzelle nach Anspruch 13, die ferner folgende Merkmale aufweist: eine weitere Lichtdurchlaßöffnung (32) , durch die das durch den Behälter (12) laufende Licht (24) aus demselben austritt;14. The micromechanical transmission measuring cell according to claim 13, further comprising the following features: a further light passage opening (32) through which the light (24) passing through the container (12) emerges therefrom;
eine in einem weiteren Lichtschacht (42) gebildete weitere Reflektoreinrichtung (28) , die das durch die weitere Lichtdurchlaßöffnung (32) laufende Licht (24) von dem Substrat (10) weg richtet.a further reflector device (28) formed in a further light shaft (42), which directs the light (24) passing through the further light passage opening (32) away from the substrate (10).
15. Mikromechanische Transmissionsmeßzelle nach Anspruch 13 oder 14 ,15. Micromechanical transmission measuring cell according to claim 13 or 14,
bei der der Deckel (20) nicht für das Licht transparent ist.where the lid (20) is not transparent to the light.
16. Mikromechanische Transmissionsmeßzelle nach Anspruch 14 oder 15,16. Micromechanical transmission measuring cell according to claim 14 or 15,
bei der in der Nähe der Lichtschächte (40, 42) eine Ein/Auskopplungseinrichtung (34) angeordnet ist, die einen Einkopplungsspiegel (36) und einen Auskopplungsspiegel (38) aufweist, welche derart bezüglich der Reflexionseinrichtung (26) bzw. der weiteren Reflektoreinrichtung (28) geneigt sind, daß das Licht (24) in der Richtung in die mikromechanische Transmissionsmeßzelle ein- bzw. aus derselben auskoppelbar ist, in der es durch den Behälter (12) für das Probenfluid läuft.in which a coupling-in / coupling-out device (34) is arranged in the vicinity of the light wells (40, 42), which has a coupling-in mirror (36) and a coupling-out mirror (38), which in this way relates to the reflection device (26) and the further reflector device ( 28) are inclined so that the light (24) can be coupled in or out of the micromechanical transmission measuring cell in the direction in which it runs through the container (12) for the sample fluid.
17. Mikromechanische Transmissionsmeßzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,17. Micromechanical transmission measuring cell according to one of the preceding claims,
bei der an einer Innenwand des Behälters (12) eine biochemische Komponente immobilisiert ist, die durch Wechselwirkung mit einem zu erfassenden Reaktionspartner in dem Probenfluid eine chemische Reaktion bewirkt, die ein optisch erfaßbares Reaktionsergebnis liefert. in which a biochemical component is immobilized on an inner wall of the container (12), which, by interaction with a reaction partner to be detected, causes a chemical reaction in the sample fluid which provides an optically detectable reaction result.
18. Mikromechanische Transmissionsmeßzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,18. Micromechanical transmission measuring cell according to one of the preceding claims,
bei der die Reflektoreinrichtung (26) bzw. die weitere Reflektoreinrichtung (28) eine hochreflektierende Beschichtung aufweisen.in which the reflector device (26) or the further reflector device (28) have a highly reflective coating.
19. Mikromechanische Transmissionsmeßzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,19. Micromechanical transmission measuring cell according to one of the preceding claims,
bei der die Innenwände des Behälters (12) ganz oder teilweise mit einer hochreflektierenden Beschichtung versehen sind. in which the inner walls of the container (12) are completely or partially provided with a highly reflective coating.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1271129A2 (en) * 2001-06-26 2003-01-02 Micro Chemical Systems Limited Depth and concentration estimation
DE102007033124B4 (en) * 2007-07-16 2012-12-06 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Device for the optical detection of substances in a liquid or gaseous medium

Families Citing this family (40)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070133001A1 (en) * 2001-09-12 2007-06-14 Honeywell International Inc. Laser sensor having a block ring activity
US6809810B2 (en) * 2001-10-04 2004-10-26 Applera Corporation Detection cell
JP3883934B2 (en) * 2002-08-29 2007-02-21 富士フイルムホールディングス株式会社 Chemiluminescence method using biochemical analysis unit
US7435391B2 (en) * 2003-05-23 2008-10-14 Lucent Technologies Inc. Light-mediated micro-chemical reactors
EP1541991A1 (en) * 2003-12-12 2005-06-15 STMicroelectronics S.r.l. Integrated semiconductor chemical microreactor for real-time monitoring of biological reactions
JP4047903B2 (en) * 2004-03-29 2008-02-13 松下電器産業株式会社 Biological information measuring optical element and biological information measuring apparatus using the same
US7291824B2 (en) * 2005-12-22 2007-11-06 Palo Alto Research Center Incorporated Photosensing throughout energy range and in subranges
US7355697B2 (en) * 2004-08-26 2008-04-08 The United States Of America As Represented By The Department Of Health And Human Services Flow-through, thermal-expansion-compensated cell for light spectroscopy
US7894055B2 (en) * 2004-08-26 2011-02-22 The United States Of America As Represented By The Department Of Health And Human Services Flow-through, inlet-gas-temperature-controlled, solvent-resistant, thermal-expansion compensated cell for light spectroscopy
US7420677B2 (en) * 2005-12-22 2008-09-02 Palo Alto Research Center Incorporated Sensing photon energies of optical signals
US7386199B2 (en) 2005-12-22 2008-06-10 Palo Alto Research Center Incorporated Providing light to channels or portions
US7358476B2 (en) * 2005-12-22 2008-04-15 Palo Alto Research Center Incorporated Sensing photons from objects in channels
US7547904B2 (en) * 2005-12-22 2009-06-16 Palo Alto Research Center Incorporated Sensing photon energies emanating from channels or moving objects
US20080084559A1 (en) * 2006-10-10 2008-04-10 C Technologies, Inc. Microvolume sampling device
US8821799B2 (en) 2007-01-26 2014-09-02 Palo Alto Research Center Incorporated Method and system implementing spatially modulated excitation or emission for particle characterization with enhanced sensitivity
US9164037B2 (en) 2007-01-26 2015-10-20 Palo Alto Research Center Incorporated Method and system for evaluation of signals received from spatially modulated excitation and emission to accurately determine particle positions and distances
US7633629B2 (en) 2007-02-05 2009-12-15 Palo Alto Research Center Incorporated Tuning optical cavities
US7817276B2 (en) 2007-02-05 2010-10-19 Palo Alto Research Center Incorporated Distinguishing objects
US7545513B2 (en) * 2007-02-05 2009-06-09 Palo Alto Research Center Incorporated Encoding optical cavity output light
US7852490B2 (en) * 2007-02-05 2010-12-14 Palo Alto Research Center Incorporated Implanting optical cavity structures
US7554673B2 (en) * 2007-02-05 2009-06-30 Palo Alto Research Center Incorporated Obtaining information about analytes using optical cavity output light
US7936463B2 (en) 2007-02-05 2011-05-03 Palo Alto Research Center Incorporated Containing analyte in optical cavity structures
US7502123B2 (en) * 2007-02-05 2009-03-10 Palo Alto Research Center Incorporated Obtaining information from optical cavity output light
US7522811B2 (en) * 2007-07-13 2009-04-21 Palo Alto Research Center Incorporated Producing sandwich waveguides
US7529438B2 (en) * 2007-07-13 2009-05-05 Palo Alto Research Center Incorporated Producing fluidic waveguides
US7952705B2 (en) * 2007-08-24 2011-05-31 Dynamic Throughput Inc. Integrated microfluidic optical device for sub-micro liter liquid sample microspectroscopy
US20090097022A1 (en) * 2007-08-24 2009-04-16 Dynamic Throughput Inc. Discovery tool with integrated microfluidic biomarker optical detection array device and methods for use
US8320983B2 (en) * 2007-12-17 2012-11-27 Palo Alto Research Center Incorporated Controlling transfer of objects affecting optical characteristics
DE102008006035B3 (en) * 2008-01-25 2009-06-18 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Micro-technical component for testing characteristics of fluid sample i.e. serum, in e.g. biological field, has protective layer arranged at substrate or cover such that functional element is shielded against incident radiation
US8373860B2 (en) 2008-02-01 2013-02-12 Palo Alto Research Center Incorporated Transmitting/reflecting emanating light with time variation
US8629981B2 (en) 2008-02-01 2014-01-14 Palo Alto Research Center Incorporated Analyzers with time variation based on color-coded spatial modulation
DE102009025073A1 (en) 2009-06-16 2010-12-30 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Optical sensor has channel with opposite side panels which are connected by base, where optical fiber is formed along opposite side panels and along base, so that field generates light in channel by passing to optical fiber
US8437000B2 (en) 2010-06-29 2013-05-07 Honeywell International Inc. Multiple wavelength cavity ring down gas sensor
US8269972B2 (en) 2010-06-29 2012-09-18 Honeywell International Inc. Beam intensity detection in a cavity ring down sensor
US8322191B2 (en) 2010-06-30 2012-12-04 Honeywell International Inc. Enhanced cavity for a photoacoustic gas sensor
DE102011005432A1 (en) * 2011-03-11 2012-09-13 Hellma Gmbh & Co. Kg Device for the analysis of a small amount of liquid
US9029800B2 (en) 2011-08-09 2015-05-12 Palo Alto Research Center Incorporated Compact analyzer with spatial modulation and multiple intensity modulated excitation sources
US8723140B2 (en) 2011-08-09 2014-05-13 Palo Alto Research Center Incorporated Particle analyzer with spatial modulation and long lifetime bioprobes
DE102012211943A1 (en) * 2012-07-09 2014-06-12 Carl Zeiss Microscopy Gmbh microscope
AU2013202632B2 (en) * 2013-03-14 2015-04-16 Inguran, Llc Apparatus and methods for high throughput sperm sorting

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4908112A (en) * 1988-06-16 1990-03-13 E. I. Du Pont De Nemours & Co. Silicon semiconductor wafer for analyzing micronic biological samples
EP0488947A1 (en) * 1990-11-26 1992-06-03 Ciba-Geigy Ag Detector cell
WO1993022053A1 (en) * 1992-05-01 1993-11-11 Trustees Of The University Of Pennsylvania Microfabricated detection structures

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2071355A (en) 1980-03-10 1981-09-16 Accuspec Ltd Liquid cell for spectroscopic analysis
CH674082A5 (en) 1987-07-10 1990-04-30 Ciba Geigy Ag Attenuated total reflection cell for spectro-chemical soln. analysis - has collinear entry and exit at opposite ends of bi-prism between liq. and air spaces
JPH0232232A (en) 1988-07-22 1990-02-02 Nec Corp Cell for absorptiometer
DE3942325A1 (en) 1989-12-21 1991-06-27 Rosemount Gmbh & Co Protective coating for analysis cell - esp. for gas analysis by non-dispersive IR spectroscopy
DE4137060C2 (en) 1991-11-11 1993-10-14 Fraunhofer Ges Forschung Microcuvette for infrared spectroscopy
US5418615A (en) 1994-02-25 1995-05-23 Axiom Analytical, Inc. Probe for liquid sample analysis by light transmission
US5439647A (en) 1994-02-25 1995-08-08 Fiberchem, Inc. Chip level waveguide sensor
US5489988A (en) 1995-01-03 1996-02-06 Motorola Environmental sensor and method therefor
EP0823054A1 (en) 1995-04-27 1998-02-11 Pharmacia Biotech AB Apparatus for continuously measuring physical and chemical parameters in a fluid flow

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4908112A (en) * 1988-06-16 1990-03-13 E. I. Du Pont De Nemours & Co. Silicon semiconductor wafer for analyzing micronic biological samples
EP0488947A1 (en) * 1990-11-26 1992-06-03 Ciba-Geigy Ag Detector cell
WO1993022053A1 (en) * 1992-05-01 1993-11-11 Trustees Of The University Of Pennsylvania Microfabricated detection structures

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SOBEK D ET AL: "A MICROFABRICATED FLOW CHAMBER FOR OPTICAL MEASUREMENTS IN FLUIDS", PROCEEDINGS OF THE WORKSHOP ON MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEMS (ME, FORT LAUDERDALE, FEB. 7 - 10, 1993, no. WORKSHOP 6, 7 February 1993 (1993-02-07), INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS, pages 219 - 224, XP000366883 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1271129A2 (en) * 2001-06-26 2003-01-02 Micro Chemical Systems Limited Depth and concentration estimation
GB2378242A (en) * 2001-06-26 2003-02-05 Univ Hull Optical measurement of the dimension of an opening inside a micro-reactor body and the concentration of the fluid therein
EP1271129A3 (en) * 2001-06-26 2004-04-21 Micro Chemical Systems Limited Depth and concentration estimation
GB2378242B (en) * 2001-06-26 2005-08-03 Univ Hull Depth and concentration estimation
US7027167B2 (en) 2001-06-26 2006-04-11 Micro Chemical Systems Limited Depth and concentration estimation
DE102007033124B4 (en) * 2007-07-16 2012-12-06 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Device for the optical detection of substances in a liquid or gaseous medium
US8877129B2 (en) 2007-07-16 2014-11-04 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. Method and device for optical detection of substances in a liquid or gaseous medium

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